Generatore e sensore di filo perimetrale fai-da-te: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

La tecnologia della guida del filo è ampiamente utilizzata nell'industria, in particolare nei magazzini in cui la movimentazione è automatizzata. I robot seguono un anello di filo sepolto nel terreno. In questo filo scorre una corrente alternata di intensità e frequenza relativamente basse tra 5Kz e 40KHz. Il robot è dotato di sensori induttivi, solitamente basati su un circuito a serbatoio (con una frequenza di risonanza uguale o vicina alla frequenza dell'onda generata) che misura l'intensità del campo elettromagnetico vicino al suolo. Una catena di lavorazione (amplificazione, filtri, confronto) permette di determinare la posizione del robot all'interno del filo. In questi giorni, il filo perimetrale / perimetrale viene utilizzato anche per creare "recinzioni invisibili" per tenere gli animali domestici all'interno dei cortili e i tosaerba robotizzati all'interno delle zone. Anche LEGO utilizza lo stesso principio per guidare i veicoli lungo le strade senza che i visitatori vedano alcuna linea.

Questo tutorial spiega in modo facile e intuitivo per aiutarti a comprendere la teoria, la progettazione e l'implementazione per creare il tuo generatore e sensore per un filo perimetrale. I file (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files e Arduino Sample Code) sono anche disponibili per il download. In questo modo, puoi aggiungere la funzione di rilevamento del perimetro del filo al tuo robot preferito e mantenerlo all'interno di una "zona" operativa.

Fase 1: GENERATORE

Teoria

Il circuito del generatore di filo perimetrale sarà basato sul famoso timer NE555. NE555 o più comunemente chiamato 555 è un circuito integrato utilizzato per la modalità timer o multivibratore. Questo componente è ancora utilizzato oggi per la sua facilità d'uso, il basso costo e la stabilità. Ogni anno vengono prodotte un miliardo di unità. Per il nostro generatore utilizzeremo il NE555 in configurazione Astable. La configurazione stabile consente di utilizzare il NE555 come oscillatore. Due resistori e un condensatore consentono di modificare la frequenza di oscillazione e il ciclo di lavoro. La disposizione dei componenti è come mostrato nello schema sottostante. Il NE555 genera un'onda quadra (grezza) che può percorrere la lunghezza del filo perimetrale. Facendo riferimento alla scheda tecnica NE555 per il timer, c'è un circuito di esempio, così come la teoria del funzionamento (8.3.2 A-funzionamento stabile). Texas Instruments non è l'unico produttore di circuiti integrati NE555, quindi se dovessi scegliere un altro chip, assicurati di controllare il suo manuale. Offriamo questo bel kit di saldatura con timer 555 che ti darà l'opportunità di saldare tutti i componenti interni di un timer 555 in un pacchetto con foro passante per consentirti di comprendere in dettaglio il funzionamento di questo circuito.

Schema e Prototipazione

Lo schema fornito nel manuale NE555 (sezione 8.3.2 funzionamento stabile A) è abbastanza completo. Alcuni componenti aggiuntivi sono stati aggiunti e discussi di seguito. (prima immagine)

La formula utilizzata per calcolare la frequenza dell'onda quadra in uscita è

f = 1,44 / ((Ra+2*Rb)*C)

La gamma di frequenza dell'onda quadra generata sarà compresa tra 32Khz e 44KHz, una frequenza specifica che non dovrebbe interferire con altri dispositivi vicini. Per questo abbiamo scelto Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potenziometro e C = 1.2nF. Il potenziometro ci aiuterà a variare la frequenza dell'uscita dell'onda quadra in modo che corrisponda alla frequenza di risonanza del circuito LC Tank che verrà discusso più avanti. Il valore teorico più basso e più alto della frequenza di uscita sarà come segue calcolato dalla formula (1): Valore più basso della frequenza: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Valore di frequenza più alto: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Poiché il potenziometro da 4,7 Kohm non arriva mai a 0 o 4,7, la gamma di frequenza di uscita varierà da circa 33,5 KHz a 39 KHz. Ecco lo schema completo del circuito del generatore. (seconda immagine)

Come puoi vedere nello schema, sono stati aggiunti alcuni componenti aggiuntivi e verranno discussi di seguito. Ecco la distinta completa:

• R1: 3,3 KOhm
• R2: 12 KOhm
• R3 (Resistore di limitazione della corrente): 47 Ohm (deve essere abbastanza grande per dissipare il calore con una potenza nominale di 2 W dovrebbe essere sufficiente)
• R4: potenziometro da 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (anche 1000pF farà il lavoro)
• C5: 1uF
• J1: connettore cilindrico positivo centrale da 2,5 mm (5-15 V CC)
• J2: Morsetto a vite (due posizioni)
• IC1: Timer di precisione NE555

Ulteriori parti aggiunte allo schema includono un jack cilindrico (J1) per un facile collegamento a un adattatore a parete (12V) e un terminale a vite (12) per collegarsi comodamente al cavo perimetrale. Cavo perimetrale: Notare che più lungo è il cavo perimetrale, più il segnale si degrada. Abbiamo testato la configurazione con circa 100 piedi di filo multifilare calibro 22 (ancorato al terreno anziché interrato). Alimentazione: un adattatore da parete da 12 V è incredibilmente comune e qualsiasi corrente nominale superiore a 500 mA dovrebbe funzionare bene. Puoi anche scegliere un piombo acido da 12 V o LiPo da 11,1 V per tenerlo all'interno della custodia, ma assicurati di proteggerlo dalle intemperie e di spegnerlo quando non è in uso. Ecco alcune parti che offriamo di cui potresti aver bisogno durante la costruzione del circuito del generatore:

• Jack cilindrico da 2,1 mm al terminale o questo adattatore jack cilindrico da 2,1 mm - compatibile con breadboard
• Tagliere trasparente senza saldatura a incastro a 400 punti di fissaggio
• Cavi per ponticelli assortiti 65 x 22 calibri
• Kit resistore DFRobot
• Kit condensatore SparkFun
• Alimentatore adattatore da parete 12VDC 3A

Ecco come dovrebbe apparire il circuito del generatore su una breadboard (terza immagine)

Passaggio 2: risultati

Come mostrato nello screenshot dell'oscilloscopio sottostante dell'uscita del circuito del generatore (preso con l'oscilloscopio tablet Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 canali), possiamo vedere un'onda quadra (grezza) con una frequenza di 36,41 KHz e un'ampiezza di 11,8 V (utilizzando un adattatore di alimentazione da 12 V). La frequenza può essere leggermente variata regolando il potenziometro R4.

Una breadboard senza saldatura è raramente una soluzione a lungo termine ed è meglio utilizzata per creare un prototipo rapido. Pertanto, dopo aver verificato che il circuito del generatore funziona come dovrebbe, generando un'onda quadra con un range di frequenza 33,5Khz e 40KHz (variabile tramite il potenziometro R4), abbiamo progettato un PCB (24mmx34mm) solo con PTH (Plated-through Hole) componenti per renderlo un bel piccolo generatore di onde quadre. Poiché i componenti a foro passante sono stati utilizzati per la prototipazione con una breadboard, il PCB potrebbe anche utilizzare componenti a foro passante (invece del montaggio superficiale) e consente una facile saldatura a mano. Il posizionamento dei componenti non è esatto e probabilmente puoi trovare margini di miglioramento. Abbiamo reso i file Eagle e Gerber disponibili per il download in modo che tu possa creare il tuo PCB. I file possono essere trovati nella sezione "File" alla fine di questo articolo. Ecco alcuni suggerimenti quando si progetta la propria scheda: Avere il connettore cilindrico e il terminale a vite sullo stesso lato della scheda Posizionare i componenti relativamente vicini l'uno all'altro e ridurre al minimo le tracce/lunghezza I fori di montaggio devono essere di diametro standard e posizionati in un facile da riprodurre rettangolo.

Passaggio 3: installazione del cavo

Quindi come installare il filo? Piuttosto che seppellirlo, è più semplice usare semplicemente dei pioli per tenerlo in posizione. Sei libero di usare quello che vuoi per mantenere il filo in posizione, ma la plastica funziona meglio. Una confezione da 50 picchetti utilizzati per i robot rasaerba tende ad essere poco costoso. Quando si posa il cavo, assicurarsi che entrambe le estremità si incontrino nella stessa posizione per il collegamento alla scheda del generatore tramite il terminale a vite.

Passaggio 4: resistenza agli agenti atmosferici

Poiché molto probabilmente il sistema verrà lasciato all'esterno per essere utilizzato all'aperto. Il cavo perimetrale necessita di un rivestimento resistente agli agenti atmosferici e il circuito del generatore stesso è alloggiato in una custodia impermeabile. Puoi usare questa fantastica custodia per proteggere il generatore dalla pioggia. Non tutti i cavi sono uguali. Se avete intenzione di lasciare il cavo fuori, assicuratevi di investire nel cavo corretto, per esempio, questa schermatura perimetrale del cavo Robomow da 300' che non è resistente ai raggi UV/acqua si degraderà rapidamente nel tempo e diventerà fragile.

Passaggio 5: sensore

Teoria

Ora che abbiamo costruito il circuito del generatore e ci siamo assicurati che funzioni come previsto, è tempo di iniziare a pensare a come rilevare il segnale che passa attraverso il filo. Per questo, ti invitiamo a leggere del Circuito LC, chiamato anche Circuito Tank o Circuito Tuned. Un circuito LC è un circuito elettrico basato su un induttore/bobina (L) e un condensatore (C) collegati in parallelo. Questo circuito è utilizzato in filtri, sintonizzatori e mixer di frequenza. Di conseguenza, è comunemente usato nelle trasmissioni broadcast wireless sia per la trasmissione che per la ricezione. Non entreremo nei dettagli teorici riguardanti i circuiti LC, ma la cosa più importante da tenere a mente per capire il circuito del sensore utilizzato in questo articolo, sarebbe la formula per calcolare la frequenza di risonanza di un circuito LC, che va come:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Dove L è il valore di induttanza della bobina in H (Henry) e C è il valore di capacità del condensatore in F (Farads). Affinché il sensore rilevi il segnale 34kHz-40Khz che scorre nel filo, il circuito del serbatoio che abbiamo usato dovrebbe avere la frequenza di risonanza in questo intervallo. Abbiamo scelto L = 1 mH e C = 22 nF per ottenere una frequenza di risonanza di 33 932 Hz calcolata utilizzando la formula (2). L'ampiezza del segnale rilevato dal nostro circuito del serbatoio sarà relativamente piccola (un massimo di 80 mV quando abbiamo testato il nostro circuito del sensore) quando l'induttore si trova a circa 10 cm dal filo, quindi avrà bisogno di un'amplificazione. Per fare ciò, abbiamo utilizzato il popolare amplificatore operazionale LM324 per amplificare il segnale con un guadagno di 100 in una configurazione non invertente Amplificazione a 2 stadi per essere sicuri di ottenere un segnale analogico leggibile a una distanza maggiore di 10 cm nel uscita del sensore. Questo articolo fornisce informazioni utili sugli amplificatori operazionali in generale. Inoltre, puoi dare un'occhiata alla scheda tecnica dell'LM324. Ecco uno schema circuitale tipico di un amplificatore LM324: Op-Amp in configurazione non invertente (quarta immagine)

Utilizzando l'equazione per una configurazione di guadagno non invertente, Av = 1+R2/R1. Impostando R1 su 10KOhms e R2 su 1MOhms si otterrà un guadagno di 100, che rientra nelle specifiche desiderate. Affinché il robot sia in grado di rilevare il filo perimetrale con orientamenti diversi, è più opportuno avere più di un sensore installato su di esso. Più sensori sul robot, meglio rileverà il cavo perimetrale. Per questo tutorial, e poiché l'LM324 è un amplificatore quad-op (ciò significa che un chip LM324 ha 4 amplificatori separati), utilizzeremo due sensori di rilevamento sulla scheda. Ciò significa utilizzare due circuiti LC e ciascuno avrà 2 stadi di amplificazione. Pertanto, è necessario un solo chip LM324.

Passaggio 6: schema e prototipazione

Come abbiamo discusso sopra, lo schema per la scheda del sensore è piuttosto semplice. È composto da 2 circuiti LC, un chip LM324 e una coppia di resistori da 10KOhm e 1MOhm per impostare i guadagni degli amplificatori.

Ecco un elenco dei componenti che è possibile utilizzare:

• R1, R3, R5, R7: resistori da 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: resistori da 1MOhm
• C1, C2: Condensatori 22nF
• IC: amplificatore LM324N
• JP3 / JP4: connettori M/M a 3 pin da 2,54 mm
• Induttori 1, 2: 1 mH*

* Gli induttori da 1 mH con una corrente nominale di 420 mA e un fattore Q di 40 252 kHz dovrebbero funzionare bene. Abbiamo aggiunto terminali a vite come cavi dell'induttore allo schema in modo che gli induttori (con i cavi saldati ai fili) possano essere posizionati in posizioni convenienti sul robot. Quindi, i fili (degli induttori) verranno collegati ai terminali a vite. I pin Out1 e Out2 possono essere collegati direttamente ai pin di ingresso analogico di un microcontrollore. Ad esempio, potresti utilizzare una scheda Arduino UNO o, meglio, un controller BotBoarduino per una connessione più comoda in quanto ha i pin analogici scomposti in una fila di 3 pin (Segnale, VCC, GND) ed è anche compatibile con Arduino. Il chip LM324 sarà alimentato tramite i 5V del microcontrollore, quindi il segnale analogico (onda rilevata) dalla scheda del sensore varierà tra 0V e 5V a seconda della distanza tra l'induttore e il filo perimetrale. Più l'induttore è vicino al filo perimetrale, maggiore è l'ampiezza dell'onda di uscita del circuito del sensore. Ecco come dovrebbe apparire il circuito del sensore su una breadboard.

Passaggio 7: risultati

Come possiamo vedere nelle schermate dell'oscilloscopio qui sotto, l'onda rilevata all'uscita del circuito LC viene amplificata e satura a 5V quando l'induttore è a 15 cm dal filo perimetrale.

Come abbiamo fatto con il circuito del generatore, abbiamo progettato un bel PCB compatto con componenti a foro passante per la scheda del sensore con due circuiti del serbatoio, un amplificatore e 2 uscite analogiche. I file possono essere trovati nella sezione "File" alla fine di questo articolo.

Passaggio 8: codice Arduino

Il codice Arduino che potresti usare per il tuo generatore di filo perimetrale e il sensore è molto semplice. Poiché l'uscita della scheda del sensore è costituita da due segnali analogici che variano da 0 V a 5 V (uno per ciascun sensore/induttore), è possibile utilizzare l'esempio AnalogRead Arduino. Basta collegare i due pin di uscita della scheda del sensore a due pin di ingresso analogico e leggere il pin appropriato modificando l'esempio Arduino AnalogRead. Utilizzando il monitor seriale Arduino, dovresti vedere un valore RAW del pin analogico che stai utilizzando variare da 0 a 1024 mentre ti avvicini all'induttore al filo perimetrale.

Il codice legge la tensione su analogPin e la visualizza.

int AnalogPin = A3; // tergicristallo del potenziometro (terminale centrale) collegato al pin analogico 3 // cavi esterni a massa e +5V

int val = 0; // variabile per memorizzare il valore letto

void setup() {

Serial.begin(9600); // imposta il seriale

}

ciclo vuoto() {

val = analogRead(analogPin); // legge il pin di input Serial.println(val); // valore di debug